第 1章 数据库系统概述
1.1 数据管理技术的三个阶段
1.2 数据库与数据库系统
1.3 数据模型与数据模式
1.4 数据库系统的发展趋势
1.1 数据管理技术的三个阶段
1.1.1 数据管理技术概述
1.1.2 数据管理技术发展的三个阶段
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1.1.1数据管理技术概述
(1) 计算机应用
? 科学计算：解决数值计算问题
? 数据处理：为数据密集型应用
数据处理就是对原始数据进行科学地采集、整理、存储、加
工和传送，从繁杂的数据中获取所需的资料，提取有用的数据成
分作为指挥生产、优化管理的决策依据。
(2) 数据处理的几个特点
① ?涉及的数据量大，内存中只能存放一小部分，大部分都将保
存在磁盘等辅助存储器中；
② ?数据需长期保留在计算机系统中，并不随某个程序的执行完
毕而消失；
③ ?数据常常需要共享，包括供多个单位、多个应用程序共享。
(3)数据库系统
显著特点是：可靠的数据存储与管理（含共享），高效的数据存
取和方便的应用开发等
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1.1.2 数据管理技术发展的三个阶段
1,人工管理：基于人工
主要特征,
(1) 计算机系统不提供对用户数据的管理功能
(2) 数据不能共享
(3) 不单独保存数据
2,文件系统：基于操作系统
主要弊病,
(1) 文件系统提供的功能有限, 不能满足应用程序对数据访问日益增长的要求 。
(2) 数据的冗余和不一致性 。
(3) 数据的无结构性 。
3,数据库管理系统,当前人们进行数据管理的主要形式 。
基本功能,
(1)支持对大量或超大量数据的存储、管理与控制
(2)给用户或应用程序提供了良好的数据库语言
a,数据定义语言 DDL（ Data Definition Language）
b,数据操作语言 DML（ Data Manipulation Language）或查询语言(Query Language)
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1.2 数据库与数据库系统
1.2.1 信息和数据
1.2.2 数据库的基本概念
1.2.3 数据库系统的组成
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1.2.4 数据库系统的分层结构
1.2.5 数据库管理员（ DBA）与数据库用户
1.2.1 信息和数据
1,信息
信息,
信息是反映客观世界中各种事物的特征和变化的组合, 是经过加工处理并对客观世界产生影响的数据 。
信息是对数据的解释, 是经过加工处理后的一种数据形式, 它能提高人们对事物认识的深刻程度, 对决策或行为有现实或潜在的价
值 。
特点,
往往有它的时间性, 也依赖于使用信息的人们 。
2,数据
是为了人们对客观世界的了解与交流，常常需要对各种事物进行描述，对事物描述的特定符号。
是反映客观世界的信息载体，是载荷信息可以鉴别的符号，这些符号包括数字、文字、图像和语音等 。
3.数据和信息的联系与区别
人们通过解释、推论、归纳、分析和综合等方法，从数据中获取有意义的内容就称为信息。数据是信息存在的一种形式，只有通过
解释或处理才能成为有用的信息。同样的数据可因载体的不同表现出不同的形式，而信息则不会随信息载体的不同而改变。
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1.2.2数据库的基本概念
1,数据库是为满足某一组织中许多用户
的许多应用系统的需要，而在计算机
系统中所建立起来的相互关联的数据
的集合，这些数据按照一定的数据模
型来组织和存储，并能为所有的应用
业务所共享。
2,在数据库中,数据的最小单位是数据项
（或字段），或者是记录，记录由数
据项组成
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1.2.3 数据库系统的组成
1,数据库系统（ Data base system）是指一个完整的、能为用户提供信息服务的系统
2,组成,三个部分
(1)计算机系统和计算机网络
(2)数据库与数据库管理系统
是一个介于数据库与用户之间的管理软件，是数据库系统的核心。
a,对用户：数据库管理系统能为他们提供各种有关数据库的服务功能（包括数据库的定义、数据库的查询与记录的更
新、插入与删除等），使他们不要关心这些数据库提供的服务功能是如何具体实现的。
b.对数据库：数据库管理系统要实现：对数据的存储管理；解决许多用户共享数据库时可能产生的冲突；保证数据的正
确性、一致性和完整性；提供对数据库访问的安全机制；防止非法用户进入数据库管理系统，对数据进行非法窃取或非
法修改。
c,典型产品
(3)基于数据库的应用软件系统
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1.2.4数据库系统的分层结构
为了针对数据库系统的三大组成部分，解决对数据的抽象认识，可将数据库系统中的数据，按从底向上的顺序
描述成如下的三层分层结构。
? 物理层：是最底层, 基于操作系统 。
它给出了复杂而详细的底层数据结构, 具体说明数据库中的数据在存储介质上是如何存放的, 以及对这些数据
的相关操作 。 它的物质基础是相关的计算机硬件 。
? 逻辑层：中间层
它是针对 DBMS的管理人员需要使用的数据, 该层描述数据库中应当存储哪些数据以及这些存储的数据相互之间
有些什么关系
? 视图层,最高层
它是针对广大数据库用户如何看待他们的应用业务系统所需要的数据的 。
在视图层上, 用户所看到的只是一组应用程序和若干个视图, 这些视图是在视图层上定义的, 它屏蔽了数据库
逻辑层的实现细节, 还提供了防止非法用户访问数据库某些部分的安全机制 。 一个视图就像是一个窗口, 它从某个
特定的视角来反映数据库 。
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1.2.5 数据库管理员（ DBA）与数据库用户
1,数据库管理员 （ DBA）
是指专业的数据库设计与维护（特别是对部门或单位的数据库系统）人员。
主要职责,
① 根据用户的需求，理解 DBMS需要存储什么数据以及如何使用数据，利用数据定义语言 DDL定
义数据模式，定义存储结构和存取方式；修改数据模式和物理存储组织。
② 数据访问授权
③ 定义数据的完整性约束。
④ 数据备份、日志维护和故障恢复。
2 数据库用户
主要包括：终端用户和数据库应用软件系统的开发者
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1.3 数据模型与数据模式
1.3.1 数据模型
1.3.2 数据模式
1.3.3 典型数据模型简介
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1.3.1 数据模型
1,数据模型
定义,
它是一组严格定义的概念的集合，它们精确地描述了数据、数据之间的相互联系、对数据的操作以及有关的语义约束规则。
E,F,Codd指出：, 一个数据模型实质上就是向用户提供的一组规则，规定用户如何组织数据结构以及允许对它们执行哪些相应的操作。,
组成：（三要素）
（ 1）数据结构
它是指所研究的对象类型的集合，这些对象类型包括：数据属性（包括类型、内容和性质）和数据相互之间的联系。
它是建立数据模型的基础。
（ 2）数据操作
数据操作是指对于数据库中各种对象的实例，允许对它们执行的操作的集合，数据库对数据的操作主要包括查询与更新两项功能。
（ 3）数据的完整性约束规则
它是指定义数据的约束条件，即在给定的数据模型中，规定数据及其联系所具有的制约和依存规则，用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效和相容。
2,三级数据模型
（ 1）概念数据模型
概念数据模型（ Conceptual data model）对应于视图层，是面向计算机用户、面向现实世界的数据模型，与 DBMS无关，不依赖于具体的计算机系统。
概念数据模型主要有,E-R模型,EER模型,OO模型以及 IDEFIX模型等。
（ 2）逻辑数据模型
逻辑数据模型（ Logical data model）反映数据的逻辑结构，例如文件、记录和字段等，它与 DBMS有关。
逻辑数据模型主要有：关系数据模型、层次数据模型和网状数据模型。
（ 3）物理数据模型
物理数据模型（ Physical data model）反映数据的存储结构，例如存储介质的物理块、指针和索引等。
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1.3.2 数据模式
1,数据模式
它是指以选定某种数据模型为工具，对一个具体单位被处理对象的具体数据进行描述。
它反映一个单位的各种事务的结构、属性、联系和约束，实质上是用数据模型对一个单位的具体实现（或模拟），它是相对稳定的，数
据模式的取值称之为实例，同一数据模式允许有很多的实例。
2,三级数据模式
（ 1）外模式
它是面向各类最终用户的，也称为用户模式。它最接近用户，是数据库用户看到的数据视图。或者说外模式是利用逻辑数据模型对用户
所用到的那部分数据进行的描述。
（ 2）概念模式
也称逻辑模式，是用逻辑数据模型对一个单位的数据描述，包括现实世界中实体的性质与联系，定义记录、数据项、数据的完整性约束
及记录之间的联系。它描述了数据库中全体数据的逻辑结构与特征,整个数据库只有一个概念模式，它是所有用户公共的数据视图。
（ 3）内模式
也称存储模式，是用物理数据模型对数据的描述，对一般用户是透明的。
应用系统
应用 1 应用 2 应用 3 应用 4
?
应用 m
外模式
︰
外模式 1 外模式 2 外模式 n
?
概 念 模 式
内 模 式
D BM S
O, S,
数据库 数 据 库
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1.3.3 典型数据模型简介
1,逻辑数据模型
（ 1） 层次数据模型
（ 2） 网状数据模型
（ 3） 关系数据模型
2,概念数据模型,E-R模型
(1)什么是 E-R模型
人们在开发一个应用系统时, 在对用户的需求充分了解后就要进行概念设计, 根据需求分析把紧密相关的数据组织在一起, 绘制出数据库结构的初步蓝图 。 它是面向用户
的, 不涉及到任何具体的 DBMS。 E-R数据模型就是供用户 （ 或设计者 ） 来绘制这种蓝图的行之有效的工具 。
（ 2） E-R模型的两个重要概念
a,实体
实体 （ Entity） 是对能被人们识别的独立存在的对象的描述, 它是对现实世界中事,物, 概念等的抽象 。
实体一般均具有若干特征, 这些特征我们称为该实体的属性 。
b.联系
① ?1∶ 1（ 一对一 ） 联系 。
② ?1∶ n（ 一对多 ） 联系 。
3） m∶ n（ 多对多 ） 联系
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1.4 数据库系统的发展趋势
1.4.1 概述
1.4.2 面向对象的数据库系统
1.4.3 数据库技术与多学科技术的有机结合
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1.4.4 面向实际应用的数据库研究
1.4.1 概述
1,简单数据类型
处理数字、日期、字符型数据的简单应用。
2,关系数据库无法处理的复杂数据类型
存储并检索复杂的嵌套数据（如材料单 —— BOM
表）、复合数据（如集合、数组、结构）、多媒体数
据（如图像、语音、文本）、网络数据（如电子邮件、
电子文档、网站的各种元素）、用计算机辅助设计
CAD绘制的工程图纸和用 GIS（地理信息系统）提供
的空间数据等，关系数据库都无法实现对它们的管理，
正是实际中涌现出这样许多的问题，促使数据库系统
技术不断推向新的高度。
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1.4.3 数据库技术与多学科技术的有机结合
1,分布式数据库系统
2,多媒体数据库
3,工程数据库
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小结
数据管理是当前计算机最重要的应用领域。
本章概述了数据管理技术发展的三个阶段，
介绍了数据库的基本概念、数据库系统的组
成及其分层结构模型；讨论了数据模型与数
据模式，它是数据库技术的核心；最后探讨
了数据库系统的发展趋势。学习好本章的内
容会给读者建立起有关数据库系统的一个清
晰的整体观念，将为下面章节的学习打下良
好的基础。
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1.1 数据管理技术的三个阶段
1.2 数据库与数据库系统
1.3 数据模型与数据模式
1.4 数据库系统的发展趋势
1.1 数据管理技术的三个阶段
1.1.1 数据管理技术概述
1.1.2 数据管理技术发展的三个阶段
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1.1.1数据管理技术概述
(1) 计算机应用
? 科学计算：解决数值计算问题
? 数据处理：为数据密集型应用
数据处理就是对原始数据进行科学地采集、整理、存储、加
工和传送，从繁杂的数据中获取所需的资料，提取有用的数据成
分作为指挥生产、优化管理的决策依据。
(2) 数据处理的几个特点
① ?涉及的数据量大，内存中只能存放一小部分，大部分都将保
存在磁盘等辅助存储器中；
② ?数据需长期保留在计算机系统中，并不随某个程序的执行完
毕而消失；
③ ?数据常常需要共享，包括供多个单位、多个应用程序共享。
(3)数据库系统
显著特点是：可靠的数据存储与管理（含共享），高效的数据存
取和方便的应用开发等
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1.1.2 数据管理技术发展的三个阶段
1,人工管理：基于人工
主要特征,
(1) 计算机系统不提供对用户数据的管理功能
(2) 数据不能共享
(3) 不单独保存数据
2,文件系统：基于操作系统
主要弊病,
(1) 文件系统提供的功能有限, 不能满足应用程序对数据访问日益增长的要求 。
(2) 数据的冗余和不一致性 。
(3) 数据的无结构性 。
3,数据库管理系统,当前人们进行数据管理的主要形式 。
基本功能,
(1)支持对大量或超大量数据的存储、管理与控制
(2)给用户或应用程序提供了良好的数据库语言
a,数据定义语言 DDL（ Data Definition Language）
b,数据操作语言 DML（ Data Manipulation Language）或查询语言(Query Language)
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1.2 数据库与数据库系统
1.2.1 信息和数据
1.2.2 数据库的基本概念
1.2.3 数据库系统的组成
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1.2.4 数据库系统的分层结构
1.2.5 数据库管理员（ DBA）与数据库用户
1.2.1 信息和数据
1,信息
信息,
信息是反映客观世界中各种事物的特征和变化的组合, 是经过加工处理并对客观世界产生影响的数据 。
信息是对数据的解释, 是经过加工处理后的一种数据形式, 它能提高人们对事物认识的深刻程度, 对决策或行为有现实或潜在的价
值 。
特点,
往往有它的时间性, 也依赖于使用信息的人们 。
2,数据
是为了人们对客观世界的了解与交流，常常需要对各种事物进行描述，对事物描述的特定符号。
是反映客观世界的信息载体，是载荷信息可以鉴别的符号，这些符号包括数字、文字、图像和语音等 。
3.数据和信息的联系与区别
人们通过解释、推论、归纳、分析和综合等方法，从数据中获取有意义的内容就称为信息。数据是信息存在的一种形式，只有通过
解释或处理才能成为有用的信息。同样的数据可因载体的不同表现出不同的形式，而信息则不会随信息载体的不同而改变。
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1.2.2数据库的基本概念
1,数据库是为满足某一组织中许多用户
的许多应用系统的需要，而在计算机
系统中所建立起来的相互关联的数据
的集合，这些数据按照一定的数据模
型来组织和存储，并能为所有的应用
业务所共享。
2,在数据库中,数据的最小单位是数据项
（或字段），或者是记录，记录由数
据项组成
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1.2.3 数据库系统的组成
1,数据库系统（ Data base system）是指一个完整的、能为用户提供信息服务的系统
2,组成,三个部分
(1)计算机系统和计算机网络
(2)数据库与数据库管理系统
是一个介于数据库与用户之间的管理软件，是数据库系统的核心。
a,对用户：数据库管理系统能为他们提供各种有关数据库的服务功能（包括数据库的定义、数据库的查询与记录的更
新、插入与删除等），使他们不要关心这些数据库提供的服务功能是如何具体实现的。
b.对数据库：数据库管理系统要实现：对数据的存储管理；解决许多用户共享数据库时可能产生的冲突；保证数据的正
确性、一致性和完整性；提供对数据库访问的安全机制；防止非法用户进入数据库管理系统，对数据进行非法窃取或非
法修改。
c,典型产品
(3)基于数据库的应用软件系统
返回
1.2.4数据库系统的分层结构
为了针对数据库系统的三大组成部分，解决对数据的抽象认识，可将数据库系统中的数据，按从底向上的顺序
描述成如下的三层分层结构。
? 物理层：是最底层, 基于操作系统 。
它给出了复杂而详细的底层数据结构, 具体说明数据库中的数据在存储介质上是如何存放的, 以及对这些数据
的相关操作 。 它的物质基础是相关的计算机硬件 。
? 逻辑层：中间层
它是针对 DBMS的管理人员需要使用的数据, 该层描述数据库中应当存储哪些数据以及这些存储的数据相互之间
有些什么关系
? 视图层,最高层
它是针对广大数据库用户如何看待他们的应用业务系统所需要的数据的 。
在视图层上, 用户所看到的只是一组应用程序和若干个视图, 这些视图是在视图层上定义的, 它屏蔽了数据库
逻辑层的实现细节, 还提供了防止非法用户访问数据库某些部分的安全机制 。 一个视图就像是一个窗口, 它从某个
特定的视角来反映数据库 。
返回
1.2.5 数据库管理员（ DBA）与数据库用户
1,数据库管理员 （ DBA）
是指专业的数据库设计与维护（特别是对部门或单位的数据库系统）人员。
主要职责,
① 根据用户的需求，理解 DBMS需要存储什么数据以及如何使用数据，利用数据定义语言 DDL定
义数据模式，定义存储结构和存取方式；修改数据模式和物理存储组织。
② 数据访问授权
③ 定义数据的完整性约束。
④ 数据备份、日志维护和故障恢复。
2 数据库用户
主要包括：终端用户和数据库应用软件系统的开发者
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1.3 数据模型与数据模式
1.3.1 数据模型
1.3.2 数据模式
1.3.3 典型数据模型简介
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1.3.1 数据模型
1,数据模型
定义,
它是一组严格定义的概念的集合，它们精确地描述了数据、数据之间的相互联系、对数据的操作以及有关的语义约束规则。
E,F,Codd指出：, 一个数据模型实质上就是向用户提供的一组规则，规定用户如何组织数据结构以及允许对它们执行哪些相应的操作。,
组成：（三要素）
（ 1）数据结构
它是指所研究的对象类型的集合，这些对象类型包括：数据属性（包括类型、内容和性质）和数据相互之间的联系。
它是建立数据模型的基础。
（ 2）数据操作
数据操作是指对于数据库中各种对象的实例，允许对它们执行的操作的集合，数据库对数据的操作主要包括查询与更新两项功能。
（ 3）数据的完整性约束规则
它是指定义数据的约束条件，即在给定的数据模型中，规定数据及其联系所具有的制约和依存规则，用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效和相容。
2,三级数据模型
（ 1）概念数据模型
概念数据模型（ Conceptual data model）对应于视图层，是面向计算机用户、面向现实世界的数据模型，与 DBMS无关，不依赖于具体的计算机系统。
概念数据模型主要有,E-R模型,EER模型,OO模型以及 IDEFIX模型等。
（ 2）逻辑数据模型
逻辑数据模型（ Logical data model）反映数据的逻辑结构，例如文件、记录和字段等，它与 DBMS有关。
逻辑数据模型主要有：关系数据模型、层次数据模型和网状数据模型。
（ 3）物理数据模型
物理数据模型（ Physical data model）反映数据的存储结构，例如存储介质的物理块、指针和索引等。
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1.3.2 数据模式
1,数据模式
它是指以选定某种数据模型为工具，对一个具体单位被处理对象的具体数据进行描述。
它反映一个单位的各种事务的结构、属性、联系和约束，实质上是用数据模型对一个单位的具体实现（或模拟），它是相对稳定的，数
据模式的取值称之为实例，同一数据模式允许有很多的实例。
2,三级数据模式
（ 1）外模式
它是面向各类最终用户的，也称为用户模式。它最接近用户，是数据库用户看到的数据视图。或者说外模式是利用逻辑数据模型对用户
所用到的那部分数据进行的描述。
（ 2）概念模式
也称逻辑模式，是用逻辑数据模型对一个单位的数据描述，包括现实世界中实体的性质与联系，定义记录、数据项、数据的完整性约束
及记录之间的联系。它描述了数据库中全体数据的逻辑结构与特征,整个数据库只有一个概念模式，它是所有用户公共的数据视图。
（ 3）内模式
也称存储模式，是用物理数据模型对数据的描述，对一般用户是透明的。
应用系统
应用 1 应用 2 应用 3 应用 4
?
应用 m
外模式
︰
外模式 1 外模式 2 外模式 n
?
概 念 模 式
内 模 式
D BM S
O, S,
数据库 数 据 库
返回
1.3.3 典型数据模型简介
1,逻辑数据模型
（ 1） 层次数据模型
（ 2） 网状数据模型
（ 3） 关系数据模型
2,概念数据模型,E-R模型
(1)什么是 E-R模型
人们在开发一个应用系统时, 在对用户的需求充分了解后就要进行概念设计, 根据需求分析把紧密相关的数据组织在一起, 绘制出数据库结构的初步蓝图 。 它是面向用户
的, 不涉及到任何具体的 DBMS。 E-R数据模型就是供用户 （ 或设计者 ） 来绘制这种蓝图的行之有效的工具 。
（ 2） E-R模型的两个重要概念
a,实体
实体 （ Entity） 是对能被人们识别的独立存在的对象的描述, 它是对现实世界中事,物, 概念等的抽象 。
实体一般均具有若干特征, 这些特征我们称为该实体的属性 。
b.联系
① ?1∶ 1（ 一对一 ） 联系 。
② ?1∶ n（ 一对多 ） 联系 。
3） m∶ n（ 多对多 ） 联系
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1.4 数据库系统的发展趋势
1.4.1 概述
1.4.2 面向对象的数据库系统
1.4.3 数据库技术与多学科技术的有机结合
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1.4.4 面向实际应用的数据库研究
1.4.1 概述
1,简单数据类型
处理数字、日期、字符型数据的简单应用。
2,关系数据库无法处理的复杂数据类型
存储并检索复杂的嵌套数据（如材料单 —— BOM
表）、复合数据（如集合、数组、结构）、多媒体数
据（如图像、语音、文本）、网络数据（如电子邮件、
电子文档、网站的各种元素）、用计算机辅助设计
CAD绘制的工程图纸和用 GIS（地理信息系统）提供
的空间数据等，关系数据库都无法实现对它们的管理，
正是实际中涌现出这样许多的问题，促使数据库系统
技术不断推向新的高度。
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1.4.3 数据库技术与多学科技术的有机结合
1,分布式数据库系统
2,多媒体数据库
3,工程数据库
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数据管理是当前计算机最重要的应用领域。
本章概述了数据管理技术发展的三个阶段，
介绍了数据库的基本概念、数据库系统的组
成及其分层结构模型；讨论了数据模型与数
据模式，它是数据库技术的核心；最后探讨
了数据库系统的发展趋势。学习好本章的内
容会给读者建立起有关数据库系统的一个清
晰的整体观念，将为下面章节的学习打下良
好的基础。
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